納秒脈沖電源驅(qū)動(dòng)提高KrCl*準(zhǔn)分子燈輻射效率的實(shí)驗(yàn)研究

陳古源 高嵐 莊曉波 張善端 劉克富

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

1 引言

近年來，紫外光源技術(shù)已成為微電子、醫(yī)藥、化工、衛(wèi)生和環(huán)保等領(lǐng)域中基礎(chǔ)性的和關(guān)鍵性的技術(shù)。所有這些應(yīng)用均要求光源有較窄的輻射光譜和一定的輻射光強(qiáng)度。例如在環(huán)保領(lǐng)域，只有在紫外輻射的波長(zhǎng)與待處理的有機(jī)物吸收波長(zhǎng)相匹配的情況下，處理效率才能達(dá)到最大。傳統(tǒng)的低氣壓汞燈發(fā)射的紫外光譜只有185nm和254nm兩條可用，而惰性氣體燈輻射的紫外光強(qiáng)又相對(duì)較弱，不符合應(yīng)用的要求。

介質(zhì)阻擋放電能夠激發(fā)生成各種波長(zhǎng)的高效準(zhǔn)分子紫外輻射，基于此而制成的準(zhǔn)分子紫外光源完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。但是目前紫外準(zhǔn)分子燈的紫外輻射效率仍然相對(duì)較低。一些研究者也對(duì)提高稀有氣體—鹵素準(zhǔn)分子光源的效率進(jìn)行了研究，但是很多都是改進(jìn)幾何結(jié)構(gòu)以及尋找最佳充氣壓和稀有氣體鹵素最佳配比等。很少有文獻(xiàn)指出驅(qū)動(dòng)電源的參數(shù)對(duì)于輻射效率的影響。為了尋找更加合適的電源參數(shù)以提高準(zhǔn)分子燈的工作效率，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析不同電源參數(shù) (激勵(lì)類型、極性、頻率、幅值等)對(duì)于KrCl*準(zhǔn)分子燈的工作特性的影響并作了簡(jiǎn)要分析。

2 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)

2.1 測(cè)量方法

對(duì)222nm的輻射功率進(jìn)行精確測(cè)量比較困難，所以各個(gè)研究小組最佳參數(shù)和最佳效率相差很大。在文獻(xiàn)［1］，用化學(xué)方法測(cè)量 222nm的絕對(duì)輻射強(qiáng)度;而在文獻(xiàn)［2］，則通過已定標(biāo)的光敏二極管配合示波器測(cè)輻射功率。本實(shí)驗(yàn)采用［3］中的測(cè)量方法，通過測(cè)定紫外輻照度，再用 Keitz公式［4］計(jì)算出輻射功率。

準(zhǔn)分子燈的直徑遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度，所以可以把它看成線光源，222nm的輻射功率Prad可由 Keitz公式計(jì)算得出。

式中，E——測(cè)量得到的輻照度 (Wm－2);

D——燈中心到紫外探頭的距離 (m);

L——燈的發(fā)光長(zhǎng)度 (m);

α——半頂角，如圖1所示。

根據(jù)Keitz公式測(cè)得輻射功率后，再通過示波器獲得電壓電流波形，積分就可以得到準(zhǔn)分子燈的輸入功率。

式中，u——瞬時(shí)電壓;

圖1 燈和紫外探頭的測(cè)量示意圖

i—— 瞬時(shí)電流;

T—— 周期;

N——周期內(nèi)的采樣個(gè)數(shù);

Δt——間隔時(shí)間。

最后根據(jù)得到的紫外輻射功率Prad和輸入功率 Pin，我們就可以根據(jù)式得出準(zhǔn)分子燈222nm的紫外輻射效率:

從而根據(jù)對(duì)比不同電源工作下輻射效率的高低，尋找出電源參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)分子燈工作特性的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中使用的準(zhǔn)分子燈，充氣壓:150托，壁厚:1.5mm，用不同的電源驅(qū)動(dòng)。用高壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭 (Pearson P4100)配合示波器 (Tektronix DPO 4032)測(cè)量電壓電流波形。紫外輻照度計(jì)探頭 (Hamamatsu H8025－222)和紫外輻照度計(jì) (Hamamatsu-C8026)用于測(cè)量222nm的輻照度。

實(shí)驗(yàn)中使用的納秒脈沖電源是先前我們自行設(shè)計(jì)的，具體參數(shù)如表1所示，典型波形如圖2所示

表1 納秒脈沖電源參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)了幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，首先比較了正弦電源和脈沖電源對(duì)準(zhǔn)分子燈工作的影響，然后就脈沖電源極性、電壓幅值、工作頻率等參數(shù)的影響進(jìn)行了比較研究。

圖2 脈沖電源的典型波形圖

3.1 激勵(lì)類型

分別使用正弦電源和脈沖電源驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)分子燈，兩種電源的電壓幅值均為6kV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 激勵(lì)類型對(duì)于準(zhǔn)分子燈的特性影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出在相同的電壓驅(qū)動(dòng)下，兩者紫外輻射強(qiáng)度接近，但脈沖電源消耗的電功率明顯低于正弦電源消耗的電功率。因此，用納秒脈沖驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)分子燈，紫外輻射的效率較高，和正弦驅(qū)動(dòng)相比，效率提高86.5%。

用納秒脈沖驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)分子燈可以獲得更高的效率，因?yàn)樵诳烀}沖激勵(lì)下，可以有效減小電子與原子或分子之間發(fā)生彈性碰撞的概率，從而將主要能量直接加到電子上，有利于激發(fā)原子和分子。

3.2 電源極性

在電壓幅值為5kV，頻率50kHz條件下實(shí)驗(yàn)分別對(duì)比了在不同極性的電源驅(qū)動(dòng)下，準(zhǔn)分子燈的紫外輻射效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 電源極性對(duì)于準(zhǔn)分子燈的特性影響

雙向脈沖電源驅(qū)動(dòng)下，一個(gè)周期內(nèi)有兩次放電，放電功率與紫外輻射功率都相應(yīng)比單向脈沖高，而紫外輻射的效率與單向脈沖比較接近，單向負(fù)脈沖驅(qū)動(dòng)效率略高一些。這一結(jié)果與文獻(xiàn)［5］中的結(jié)論一致。

脈沖電源的極性不同，對(duì)于介質(zhì)阻擋放電的特性并沒有顯著的影響，因此產(chǎn)生準(zhǔn)分子的等離子體化學(xué)過程同樣沒有明顯的差別，相應(yīng)的也沒有影響燈的工作特性。實(shí)驗(yàn)中單向負(fù)脈沖效果略好一些，可能是因?yàn)樵谪?fù)高壓脈沖放電過程中，電源能饋入更多的能量。

3.3 電壓幅值

為了比較電壓幅值對(duì)于紫外準(zhǔn)分子燈工作特性的影響，在工作頻率50kHz、單向負(fù)脈沖條件下，分別對(duì)比了在不同電壓幅值驅(qū)動(dòng)下的準(zhǔn)分子燈的工作特性。具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 電壓幅值對(duì)于準(zhǔn)分子燈的特性影響

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著電源電壓幅值的增加，準(zhǔn)分子紫外輻射強(qiáng)度相應(yīng)提高，但能量轉(zhuǎn)換效率隨之下降。

紫外輻射功率隨著電壓的升高而升高，這是因?yàn)殡妷悍鹊脑黾樱烹娺^程中有更多的能量引起激發(fā)和電離反應(yīng)，即產(chǎn)生的KrCl*準(zhǔn)分子數(shù)量增加，準(zhǔn)分子輻射強(qiáng)度隨之增加。

紫外輻射效率隨著電壓的升高而減少，即消耗電功率增加的速率超過了紫外輻射功率增加的速率。這是由于電壓增加而相應(yīng)增加的電功率，一部分用于增加紫外輻射功率，但是大部分能量轉(zhuǎn)變成熱能，進(jìn)而導(dǎo)致了能量轉(zhuǎn)換效率的下降。

3.4 脈沖頻率

類似的，為了比較電源頻率對(duì)于紫外準(zhǔn)分子燈工作特性的影響，在工作電壓5kV、單向負(fù)脈沖條件下，分別對(duì)比了在不同工作頻率下的準(zhǔn)分子燈的工作特性。具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 脈沖頻率對(duì)于準(zhǔn)分子燈的特性影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖電壓頻率的升高，紫外輻射功率隨之增加，且基本成一線性關(guān)系;紫外輻射效率隨頻率升高變化不明顯，50kHz略好一些。

脈沖電源的頻率上升，單位時(shí)間內(nèi)放電的次數(shù)增加，紫外光輸出提高。但相應(yīng)消耗的電功率也增加。而從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，紫外輻射效率隨頻率變化幾乎不變。

4 分析

實(shí)驗(yàn)中得到的納秒脈沖電源驅(qū)動(dòng)效率高于正弦電源驅(qū)動(dòng)，結(jié)果可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行解釋。第一，兩者電源相比，納秒脈沖電源有著更快的電壓時(shí)間梯度即更高的du/dt。上升沿陡直，電子在高的約化電場(chǎng) (E/n)作用下獲得足以電離氣體中原子或分子的能量，有利于激發(fā)電離原子和分子并相應(yīng)產(chǎn)生準(zhǔn)分子，輻射紫外光。上升沿陡直，電壓上升的時(shí)間很短，在這較短的時(shí)間內(nèi)，電子和原子或分子發(fā)生彈性碰撞的次數(shù)將會(huì)減少，而這部分能量將轉(zhuǎn)化為熱能耗散出去。第二，從介質(zhì)阻擋放電的放電類型的角度，陡直的下降沿會(huì)使儲(chǔ)存在空間和介質(zhì)表面累積電荷中的能量瞬間釋放并在氣體中引發(fā)二次放電。脈沖電壓驅(qū)動(dòng)的DBD中存在二次放電現(xiàn)象，以起到自擦除效應(yīng)，消除記憶電荷的影響［6］。從二次放電的過程中，電子同樣可以獲得能量激發(fā)原子分子。而正弦驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于緩慢的下降沿，觀察不到二次放電的產(chǎn)生，記憶電荷將對(duì)放電產(chǎn)生影響。即先前放電沉積在介質(zhì)表面的電荷對(duì)隨后的近鄰放電有屏蔽作用，其中的約化場(chǎng)強(qiáng)有所變化，導(dǎo)致在同一電壓半周期中后階段微放電通道中激發(fā)和電離程度下降;功率增加的速率超過了光輻射強(qiáng)度的變化，而場(chǎng)能大部分轉(zhuǎn)變成熱能，進(jìn)而導(dǎo)致了能量轉(zhuǎn)換效率的下降。

另外實(shí)驗(yàn)中還得到，脈沖電源的頻率并不影響紫外輻射的效率。這一結(jié)論與正弦電源驅(qū)動(dòng)下的結(jié)果不同。準(zhǔn)分子燈在正弦電壓驅(qū)動(dòng)下，較高的工作頻率有著較高的效率［5］。因?yàn)閷?duì)于正弦電壓驅(qū)動(dòng)，更高的頻率并不只意味著單位時(shí)間內(nèi)放電次數(shù)的增加，還意味著更高的電壓的時(shí)間變化率。電壓時(shí)間變化率du/dt提高，正如前面的分析，可以有效減小電子與原子或分子之間發(fā)生彈性碰撞的概率，從而將主要能量直接加到電子上，有利于激發(fā)原子和分子。因此，增加正弦驅(qū)動(dòng)電壓的頻率會(huì)有助于提升轉(zhuǎn)換效率。而對(duì)于脈沖電壓驅(qū)動(dòng)的情形，頻率的高低不會(huì)影響電壓的時(shí)間變化率，即不會(huì)影響電壓的上升沿和下降沿。提高頻率僅僅只是增加了單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)，介質(zhì)阻擋放電類型并沒有改變，對(duì)紫外輻射效率的影響也很小。

5 結(jié)論與展望

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電源因素對(duì)紫外準(zhǔn)分子燈光輻射的影響可初步概括為如下幾點(diǎn):

納秒脈沖電源驅(qū)動(dòng)紫外準(zhǔn)分子燈的紫外輻射效率，比正弦電壓驅(qū)動(dòng)有顯著提高;脈沖電源的極性對(duì)燈的工作特性沒有顯著的影響;增加電源電壓幅值可提高準(zhǔn)分子紫外輻射強(qiáng)度，但紫外輻射效率下降;脈沖電源的頻率增加，紫外輻射強(qiáng)度相應(yīng)增加，而紫外輻射效率基本不變。

由于實(shí)驗(yàn)條件所限，本次實(shí)驗(yàn)并未比較脈沖上升沿對(duì)于紫外準(zhǔn)分子燈輻射效率的影響，下一步將繼續(xù)進(jìn)行更快參數(shù)脈沖驅(qū)動(dòng)下的改善準(zhǔn)分子燈效率的研究。

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